認知故障電路板

元件級維修主要對象是電路板。電路板是由電氣元件、接插件和PCB板組成實現特定電氣功能的部件，也是電氣設備有別于其它設備的重要標志。電路板分為單功能板類和復合功能板類，如果從屬于復合功能類型，就繼承了多種本質特征和規律。元件級維修建立在部件級維修基礎上，就是故障電路板維修。電路板種類繁多、用途廣泛和功能各異，通過故障電路板品牌標識、規格型號查閱或咨詢獲得其技術手冊、端口接線圖、電路原理圖等技術資料判斷電路板從屬的電路類型，進而快速掌握繼承的本質特征和規律，再根據運用場景和維護歷史了解其具體特征和規律，最后形成綜合特征和規律，為元件級維修建立認知基礎。

一、認知故障電路板的經驗

電路板上分布固定的元件種類和數量較多，相互間電氣連接線路異常復雜。為方便理解和維護，通常用電氣原理圖、元件分布圖和端口接線圖描述電路板工作原理、功能用途和規格樣式，快速認知其本質特征和規律。通常電路板面積和人體尺寸相近，檢測或攜帶比較方便。電氣元件是元件級維修認知的最小零件，如果損壞只更換不修理。

在維修實踐中，因為受技術保密或資料檢索能力限制，很難獲得故障電路板電氣原理圖，只能從功能用途和規格樣式層面推測工作原理，再判斷其從屬的電路類型，進而掌握其繼承的本質特征和規律。如果故障電路板上單元電路間沒有明確分界標志、元件實際位置和元件布局圖不同和電氣元件無法檢索，都增加了認知難度，那么如何提高認知故障電路板工作原理和功能用途的效率，也是元件級維修的難點。

電氣元件數量多的電路板一般按照從整體到細節的順序認知綜合特征和規律。按照從電路板到單元電路，再到電氣元件和接插件的認知順序，先通過觀察掌握電路板功能用途、整體外觀特征和接口電氣連接推測其包含的功能，再找出每種功能對應的單元電路，逐步掌握單元電路中各電氣元件種類、布局、相互間電氣連接和輸入輸出接口，逐步演繹出電氣板的工作原理。適用于分立元件多、集成度較低的電路板。

電氣元件數量少的電路板一般按照從細節到整體的順序認知其綜合特征和規律。按照從核心電氣元件到單元電路，再到電路板的認知順序，先從電路板的核心電氣元件開始觀察掌握其對應的電氣元件、電氣連接和輸入輸出端口，逐步歸納出電氣板的工作原理和功能用途。適用于集成度較高的電路板。
復合功能的故障電路板先找出不同功能的電路在PCB板上分布范圍，先認知與故障功能相關的電路，再認知影響整體功能的電路。有些電路板受體積和成本限制將多種功能混合在一起，之間沒有明顯分界，增加了認知故障電路板的難度。
二、認知故障電路板的流程

（一）從規格樣式認知電路板

通過規格樣式能簡單直接掌握故障電路板本質特征和規律。首先通過生產商或品牌縮小故障電路板特性檢索范圍，再通過其規格型號、外觀形狀、顏色樣式、外接連線等獲得其功能用途、端口接線圖、性能參數等技術資料，找出不同子功能電路在PCB板上分布范圍以及內部連接線路。

（二）從功能用途認知電路板

如果按規格樣式無法獲得故障電路板技術資料，可根據故障電路板實際作用和實現功能以及與其它部件間相互關聯等推測其從屬的工作原理類型。

如將交流市電轉換為直流電壓的工作電源，根據降壓和整流方式推測其從屬工作原理類型；如人機交互電路根據輸入和顯示方式推測其從屬工作原理類型；如保護電路根據保護位置和方式推測其從屬工作原理類型；如采樣電路根據傳感器類型推測其從屬工作原理類型；如信號處理電路根據信息處理核心元件推測其從屬工作原理類型；如驅動電路根據驅動對象推測其從屬工作原理類型；如通訊電路根據端口封裝形式推測其從屬工作原理類型。

（三）從工作原理認知電路板

電路圖

標準電路板可從標準圖集獲得電路板功能框圖和電氣原理圖。

工作原理相同的電路在不同廠家不同設備中，電路板規格樣式（顏色、外觀、元件布局和線路連接）各有差異。常用電氣原理圖描述電路工作原理，原理圖中為方便描述和理解電路工作原理，電源和電信號傳輸方向為左進右出和上進下出，主電路和輔助電路分開繪制，用編號、專用符號和主要參數共同描述電氣元件，用較粗直線畫導線、較細直線畫功能框和虛線畫分割區，用文字描述電路工作原理、功能用途和規格樣式。必須熟記標準電氣元件符號和基礎單元電路，對常用電路了然于心，掌握讀圖技巧，才能快速準確理解電氣原理圖，掌握電路板本質特征和規律。

從電路功能框圖推測電氣原理圖是由整體到局部的正向認知過程，先通過功能框圖掌握電路技術方案，將功能框細化為子功能電路，從子功能電路的電氣元件和連接線路認知其工作原理，最后掌握電路板詳細電氣原理。從電路板推測電氣原理圖是由局部到整體的逆向認知過程，通過電路板單元電路、核心元件、信號走向、特殊功能狀態等方面認知子功能電路電氣原理，所有子功能電路整合為功能框圖，最后掌握電路板整體電氣原理。逆向認知難度遠大于正向認知難度。

單元電路

電路板由多個能實現各種特定功能的單元電路組成，單元電路都有輸入輸出端、工作電源端和公共端，實現電信號取樣、放大、處理、驅動等功能。按電信號的獲取、處理和轉換的傳輸順序和分配線路，用示波器追蹤測量電信號的幅值、波形、頻率和相位變化情況，分析判斷出各級單元電路的功能用途（如改變信號幅值、波形、頻率和相位，實現數字或模擬數值的算術、邏輯、比較等運算），最后歸納總結掌握電路板電氣原理，這是由局部到整體的逆向認知過程。單元電路中各電氣元件間總是按串形、并形、樹狀、網狀或獨立連接，追蹤測量時串形任何點都能作為分界點，并形選擇總線作為分界線，樹狀選擇樹根作為分界點，網狀或獨立關系只能逐個排除。

電路板在啟動、運行、待機和關機等不同狀態下，相同電氣參數的數值各不相同，通過測量判斷電路板當前狀態。根據電路板具有工作狀態可推測其從屬工作原理類型，這是由靜態到動態全周期的逆向認知過程。
根據電路板輸入和輸出接口的輸入信號來源推測電路板用途，輸出信號去向推測電路板功能，用示波器測量信號類型推測電路板屬于模擬或數字電路，根據接口封裝樣式推測通訊電路從屬的類型，綜合后判斷電路板從屬功能用途類型，這是采用黑匣子思維的逆向認知過程。
為縮小體積或降低成本，電路板中可能包含多種子功能電路。現代電路設計采用EDA（計算機輔助設計），如果沒有提前合理規劃各子功能電路布局，那么EDA會按照最短距離和最小面積原則自動布局，電氣元件會隨機零亂分布在電路板上，增加了查找子功能電路分布區域的難度，可以對電路板拍照并打印，在打印圖紙上手工劃分子功能區域。

核心元件

電路板中大量使用電阻、電容、電感、二極管、三極管等通用電氣元件，很難判斷其功能用途。如果存在少量專用元件，就以專用元件為核心，參考范例電路推測周圍電路從屬的功能用途類型，這是由特殊到普偏的逆向認知過程。
通過核心元件專用符號、型號標識（文字、符號、色環等）和封裝樣式檢索其工作原理和功能用途，掌握性能參數、引腳功能、封裝樣式、適用條件、安裝尺寸和范例電路等信息，快速認知其從屬類型的本質特征和規律。根據電路板上主要集成電路型號推測從屬的模擬電路、數字電路或復合電路類型。根據電路板的核心傳感器、接口等特征推測信號處理電路、電源電路、采樣電路的分布區域。
少數專用電氣元件有專用封裝形式。觀察電路板上特殊封裝元件（如天線、屏蔽罩、散熱片、線圈、按鍵、指示燈、顯示屏、光耦隔離、變壓器或異形插座等），推測是否包含無線通信、驅動、控制、電源、高頻、高低壓等類型子電路及分布范圍（如根據天線和屏蔽罩找出高頻電路，根據散熱片和線圈找出驅動電路，根據按鍵、指示燈、顯示屏找出控制電路，根據光耦隔離和變壓器找出高低壓電路，根據異形插座找出核心元件），這是由感知到驗證的逆向認知過程。
PCB板
PCB板的主要用途是固定電氣元件，按照路徑最短、面積最小原則把各個電氣元件引腳按功能要求連接起來。掌握PCB板設計要求，有助于元件級維修時高效準確梳理電氣元件引腳之間的連接線路。
PCB板分為單層板、雙層板和多層板，層數越多，電路越復雜，梳理電氣連線難度越大。單層板上電源線、公共線和信號線都分布在底層，元件分布密度低，連接線路難，經常需要較多過孔才能完成布線。雙層板頂層同時分布電源線和信號線，底層分布公共線和信號線，元件分布密度較高，連接線路復雜，容易完成布線。多層板把電源線和公共線放置在中間層上，信號線放置在頂層和底層，元件分布密度高，連接線路簡單。
根據PCB板上高低壓隔離、公共線路和屏蔽網格等標識可以劃分子電路分布區域。如高低壓隔離區域通常就是工作電源電路分布區域，公共線路和屏蔽網格通常是高頻電路分布區域。
維修評估
元件級維修前要進行維修評估，只有通過后才進入排查故障元件流程。否則終止元件級維修。
一、必要性評估
電路板核心元件是否遭遇不可恢復重大破壞，失去維修技術價值？電路板是否存在難于獲取的電氣元件，失去維修物質基礎？維修成本是否過高，失去維修經濟價值？
二、可行性評估
設備配件是否齊全，技術資料是否詳細完整？是否掌握故障設備操作方法和檢測儀器使用技能？是否具備設備外殼、內部部件和特殊元件拆裝工具和技術？能否承擔維修失敗造成故障擴大、安全、質量和經濟等風險？能否在客戶要求時間范圍內完成維修？能否導入或導出電路板自帶程序的源代碼？
排查故障元件
元件級維修的主要對象是電路板和電氣元件。從故障電氣設備中排查出故障部件后，再通過元件級維修排查出故障電路板上故障電氣元件，排查故障元件的難度大于排查故障部件。電路板上電氣元件類型和數量眾多，相互之間電氣連接復雜，通常故障源和故障現象之間屬于間接的因果關系，故障原因和故障結果之間邏輯推理鏈較長，需要通過檢測及時驗證邏輯推理結果的客觀性。雖然人體感知靈活方便，但是感知范圍窄和精度差，由于電磁場地不可見性、高速性和復雜性，元件級維修必須使用各種專業儀器感知電磁運動，齊備的專業工具和儀器能提高排查故障源的效率。
盡量收集故障設備足夠多的技術資料，降低認知故障電路板的工作原理、元件布局和電氣連接等信息的難度，能夠提高元件級維修時選擇切入點、縮小查找范圍和判斷元件好壞的效率。
故障現象是故障源的結果，故障源是產生故障現象的原因。排查故障源思路分為追因溯源和假設證明。追因溯源是通常選擇故障現象為切入點，先縮小排查范圍，再判斷故障對象好壞。如果已認知深刻故障電路板，假設驗證是先假設能夠合理解釋已知故障現象的故障源，通過邏輯推理演繹出尚未發現的新故障現象，通過試驗驗證其客觀存在，就證明假設故障源的正確性。如果兩種思路的邏輯結論都呈發散狀、不能收斂，盡量利用電路核心元件、信號參數或線路走向等特征和規律提升邏輯推理收斂性，再選擇收斂性強、發散性小的邏輯結論作為查找故障源的切入點，提高找出故障源的成功率。
電路板和電氣元件拆卸過程中采用圖片或視頻記錄拆卸信息，如用拆卸前后對比照片記錄電氣元件安裝方向和位置，用視頻錄像記錄周邊場景和拆卸過程，用雙景錄像記錄整體電路板與局部電氣元件的空間比例。
元件級維修時，因為測量或對比的需要，經常需要拆焊電氣元件。因為封裝形式復雜電氣元件拆焊難度較大，所以要多加練習熟練掌握拆焊技能，盡量減少拆焊次數，降低對電氣元件和PCB板的傷害。
一、選擇切入點
通過觀察和檢測找出表現明顯穩定或判斷價值高的故障現象作為切入點，選擇合理切入點能縮小故障源排查范圍。
（一）發掘更多異常現象
故障電路板在設備中，先斷電后觀察電路板有無脫落、斷路、短路、變形斷裂和氧化發黑等異常現象？再用萬用表電阻檔檢測接插件連接和線路間絕緣是否正常？通電后觀察電路板有無異味、異響、發熱、低溫等異常狀態？再用萬用表電壓、電流檔測量工作電源電壓、電流是否正常？開關按鍵是否在正常狀態？用示波器檢測輸入輸出信號是否正常？
取出故障電路板后觀察有無燒毀、爆裂、虛焊電氣元件？再用萬用表電阻檔檢測易損元件（電容、二極管、三極管、場效應管或集成電路等）的特性參數是否正常？用可調直流電源和信號發生器搭建測試平臺并接入故障電路板，用萬用表電壓電流檔或示波器測量電路板中重要節點處電信號的波形、頻率、幅值和相位是否正常？篩選出所有表現穩定或反復重現的異常現象。
（二）選擇合理切入點
電氣元件電氣連接方式分為獨立、串聯、并聯、樹聯、星聯和網聯等。只有輸入或輸出端的電氣元件是獨立連接（如天線、電機、傳感器等），選擇其輸入或輸出端的異常現象作為切入點。單信號輸入經過串行處理后單信號輸出的電路是串聯（如音頻放大電路），將串行處理線路上任何結點的異常現象都可作為切入點。單信號輸入經過并行處理后單信號輸出的電路是并聯（如路燈照明電路），將總輸入或總輸出端的異常現象作為切入點。單信號輸入經過分配處理后多信號輸出的電路是樹聯（如工作電源輸出電路），將樹根或樹干點的異常現象作為切入點。多信號輸入經過匯聚處理后多信號輸出的電路是星形連接（如多功能引腳集成電路），選擇匯聚點的異常現象作為切入點。存在多個雙向信號輸入輸出的電路是網聯（如局域網），選擇網絡主要結點的異常現象作為切入點。
可參考類似故障維修案例或以故障率高的電氣元件為切入點能實現事半功倍的效果，缺點是適用范圍窄。
依次用異常現象推測問題原因，將推理結果收斂性強（數量最少）的故障現象作為縮小排查故障源的切入點。如果全部異常現象嘗試后都沒有獲得理想結果，則返回本流程第一步，用更新儀器從新角度進行觀察和剖析，發掘新的異常現象。

二、縮小排查范圍

對于沒有電氣原理圖的電路板，需要根據PCB板上電氣元件布局和引腳間布線進行逆向分析，先圍繞核心元件及配套元件，根據其功能用途梳理電源、接地、輸入和輸出端口后獲得子原理圖，再將所有子電路整合出電路板完整的電氣原理圖。如果故障電路板上需要排查的電氣元件數量較多，通過選擇或對比縮小內因外因、功能狀態、核心元件、時間或溫度的排查范圍，最終找到故障點位。

如果電路板上各電路之間呈父子關系，父電路是子電路外因，子電路是父電路內因。當子電路異常時，需要判斷是外因（工作電源、同步信號、控制信號、輸入輸出信號等）異常，造成子電路不能正常工作，還是內因（子電路本身）異常，這是排查故障源的重要分界線，按照先易后難、先外后內的順序縮小排查故障源范圍。

如果故障現象與部分子功能電路或核心元件直接關聯，將故障源查找范圍縮小到與故障現象相關子功能電路或核心元件內。通常核心電氣元件與配套元件之間呈星形連接。用示波器追蹤測試找出異常分支，縮小故障源排查范圍。也可以先排除明確與故障現象無關子功能電路或核心元件，擴大故障源排除范圍。

按照電信號傳輸順序，如果異常子功能電路或電氣元件間是串聯開環關系，利用示波器單路追蹤測量排查故障源。先斷開串聯線路上任一點，按照電信號的傳輸順序，如果斷開點前異常，證明故障源在斷開點前。如果斷開點后異常，證明故障源在斷開點后。反復分段檢測直到找出故障點位。如果異常子功能電路或電氣元件間是串聯閉環關系（輸出信號通過反饋回路延遲返回信號輸入端，用于加強或削弱輸出信號），利用示波器雙路追蹤測量排查故障源。先找到并斷開反饋采樣點后檢測串聯主電路，如果異常就反復分段檢測串聯主電路直到找出故障點位為止，否則找到并斷開反饋輸入點，用反饋電信號和輸入電信號進行對比判斷反饋電路，如果異常就反復分段檢測反饋電路直到找出故障點位為止。

按照電信號傳輸順序，如果異常子功能電路或電氣元件間是單向并聯關系，利用示波器雙路追蹤測量找出故障支路。先排查并聯分支電路，后排查匯聚總線電路。任意并聯支路正常，匯聚總線電路正常概率較大。所用并聯支路異常，匯聚總線電路故障概率較大。對任意兩支并聯支路作對比測試，直到找出故障支路為止。

工作電源和用電電路之間是呈發散狀的星聯關系，工作電源輸出端是中心點，發散到用電電路。用萬用表電壓和電流檔檢測中心點電壓或電流，如果異常，那么故障點在工作電源電路范圍內。如果正常，那么故障點在用電電路中。通常工作電源異常造成電路板無法工作，為判斷工作電源本身異常還是用電電路異常，先用大功率非線性負載（如白熾燈）代替用電負載，開機后檢測工作電源輸出電壓和電流是否正常，如果異常故障點在工作電源電路中，否則在用電電路中，逐個斷開用電電路檢測工作電源，如果恢復正常，那么故障點就在該用電電路中。還可以用可調直流電源代替工作電源，逐漸提高輸出電壓，逐個檢測用電電路找出故障點，如果沒有找到，那么故障點在工作電源中。
控制電路和其它電路之間是采樣控制執行的閉環關系。用示波器檢測取樣電信號和控制電信號是否正常，判斷是被控電路異常還是控制電路異常，再分段追蹤檢測直到找出故障點位為止。
保護電路通電檢測前必須先采取足夠安全措施，先斷開主電路，再檢測保護電路，如果異常就分段追蹤檢測保護電路，直到找出故障點位為止，否則分段追蹤檢測主電路，直到找出故障點位為止。
通信電路和控制電路之間，電信號是雙向地輸入輸出關系。用示波器檢測發送電信號和接收電信號是否正常，判斷是發送電路異常還是接收電路異常，直到找出故障點位為止。
如果異常子功能電路或電氣元件間彼此獨立，只能逐個排查其輸入輸出特性是否正常，直到找出故障點位為止。
如果電路板在部分時間段工作異常，需要分析判斷是否存在外界因素干擾（如市電電壓、電流不穩，工作空間有電磁輻射等），找出干擾源后排除干擾。對電壓穩定性要求較高的電路板，通過在線穩壓電源獲得穩定電壓。高頻電路或時序數字電路容易受到外界電磁干擾，檢查屏蔽層是否可靠接地能解決外界電磁干擾問題。
如果電路板溫度異常，不能持續穩定工作，用紅外熱像儀追蹤電路板上發熱異常點位，逐個排查找出發熱原因為止。發熱量大電氣元件的引腳和PCB板焊盤之間因長期熱脹冷縮產生細小裂縫，會產生時有時無接觸不良故障，從發熱量較大電氣元件入手逐一排查，找出虛焊點并補焊牢固解決問題。部分功率電氣元件（厚膜電路、集成電路、功率放大管、電容）因為發熱容易產生元件內部斷路或短路問題，如果此類元件溫度異常（過高或過低），那么直接更換此類電氣元件解決故障。

三、判斷電氣元件好壞

當需要排查元件數量降低到有限后，可以通過逐個對比判斷元件的好壞。如果用正常元件替換可疑元件后故障電路板恢復正常，那么能準確判定可疑元件損壞，否則不能完全判定可疑元件完好。如果有相同完好電路板，用可疑元件替換完好電路板上相同元件后出現故障，那么能準確斷定可疑元件損壞，否則能準確判定可疑元件完好。

為保證安全和方便測量，斷電后先測量可疑電氣元件在線物理參數（阻值、容值、感抗等），采取安全保護措施后再通電后測量可疑電氣元件在線電氣參數（電壓、電流、功率的幅值、波形、頻率、相位等），和已知正常值對比判斷其好壞，最后拆卸可疑電氣元件測量其離線特性參數，和已知正常值對比復核其好壞。
因焊接質量差、接插件接觸不良或連接線纜折斷等都會產生時有時無的異常現象。輕搖焊接元件引腳檢查其焊接質量，對質量差的焊點及時補焊。接插件的插頭和插座之間因為松動或金屬氧化造成接頭接觸不良，先用清洗劑或橡皮擦清除金屬氧化層，再重新緊固接插件解決問題。利用萬用表1Ω檔逐根檢測連接線纜每芯通斷，再用1MΩ檔檢測每根芯和屏蔽層間絕緣性能，如果損壞要及時更換或修復線纜。
電路板進水或積塵會導電，降低絕緣等級，甚至產生安全事故。先用清洗劑清洗電路板，等晾干后再通電使用。
找出故障元件后能夠合理解釋所有已知故障現象，還能邏輯推理演繹出未知故障現象，如果通過試驗驗證正確，就判定已經找到故障源元件，進入修理流程，否則返回選擇切入點。

修理電路板

一、制定處理方案

因電氣元件大小尺寸和封裝樣式各異，所以拆裝和調試辦法各不相同。在修理過程中要確保維修質量、降低安全風險、縮短修理時間，對重要復雜、價值昂貴、處理技術難度大的電路板，修理前根據故障源結合個人實踐經驗，綜合考慮工具、技能、材料、時間、環境和成本等因素，選擇或制定可操作性強的修理方案。嚴格按照方案執行能提高修理成功率。如果故障修理難度低就直接進入維修處理流程。
準備好修理需要的工具、儀器和技能。通過拍照記錄被拆卸元件型號、安裝位置和方向、引腳排序等信息。具有記憶功能電路板，要導出程序和數據，記錄開關撥動擋位、旋鈕調節位置。
如果修理辦法風險或難度大，要先試驗練習提高成功率，熟練后再進入維修處理流程。元件級維修的主要技能是元件拆焊技能。對于引腳少的電氣元件，拆除和焊接比較簡單。引腳多的電氣元件對專用工具和焊裝技能要求較高，需要反復練習才能熟練掌握。

二、維修處理

元件級修理對象是電氣元件或接插件，維修辦法是先拆除故障元件，再采用更換、替換或修復等辦法進行處理，更換或替換時要保證新元件焊接位置和方向正確。更換是指用完全相同的電氣元件代替故障元件，替換是指用功能相同性能相近的電氣元件代替故障元件，修復是對故障元件進行修理恢復其設計功能（較少使用）。要嚴格按照修理方案開展維修處理，確保工藝水平。
先通過仔細觀察確定修理結果達到質量要求，再通電檢測故障源是否已經排除，否則返回排查故障元件流程。對具有記憶功能電路板，導入程序和數據后按操作手冊重新調試或設置并保存，開關撥動到原擋位、旋鈕調節到原位置，否則會出現報警、出錯等異常現象。

三、驗收和記錄

維修處理完成后需要進行功能完整性和穩定性驗收，確保電路板恢復設計功能和達到技術要求。
（一）功能完整驗收
用洗板水清洗電路板，所有配件安裝完畢后，通過觀察電路板的外觀結構是否完好，電路板供電電源和對外連線線路是否完好性。通電試機進行功能完整性驗收，先依次檢驗電路板整體功能和所有子功能是否正常，是否滿足重要技術指標。
（二）穩定性驗收
讓電路板滿負荷持續工作一段時間，檢驗其工作穩定性。通過驗收后進入整理維修資料流程，否則返回排查故障源流程，重新發掘新的異常現象。
（三）整理維修資料
維修完成后將維修過程作為案例詳細記錄，包含電路板信息（類型、型號、廠家、出廠時間、維護歷史）、故障現象、維修時間地點、維修部位、排查修理過程和配件耗材等信息。為保護知識產權，還要記錄維修人員信息和參考他人維修案例出處。最后向客戶移交修好設備。
將收集整理的維修資料及時公開供同行共享，既有利于維修知識的積累和傳承，又有利于提升維修效率，避免了社會重復勞動。
（作者：羅清；地址：四川省攀枝花市東區；電話：13548205451；微信：pzhLQ564200811；QQ：564200811）